WO2003004155A1 - Kohlenstoffnanoröhren-katalysatormaterial, kohlenstoffnanoröhren-anordnung und verfahren zum herstellen einer kohlenstoffnanoröhren-anordnung - Google Patents

Kohlenstoffnanoröhren-katalysatormaterial, kohlenstoffnanoröhren-anordnung und verfahren zum herstellen einer kohlenstoffnanoröhren-anordnung Download PDF

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carbon
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intermediate layer
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Franz Kreupl
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Definitions

  • the invention relates to a carbon nanotube catalyst material, a carbon nanotube arrangement and a method for producing a carbon nanotube arrangement.
  • a nanotube is a single-walled or multi-walled, tube-like carbon compound.
  • multi-walled nanotubes at least one inner nanotube is coaxially surrounded by an outer nanotube.
  • Single-walled nanotubes typically have a diameter of approximately one nanometer, and the length of a nanotube can be several hundred nanometers.
  • the ends of a nanotube are often terminated with half a fullerene olecule part.
  • the extensive ⁇ -electron system and the geometric structure of nanotubes result in good electrical conductivity, which is why nanotubes are suitable for the construction of circuits with dimensions in the nanometer range. It is known from [2] that the electrical conductivity of carbon nanotubes can significantly exceed that of metals of the same size.
  • nanotubes are suitable for a large number of applications, for example for electrical connection technology in integrated circuits, for components in microelectronics and as an electron emitter.
  • nanotubes For the use of nanotubes in microelectronics, it is often desirable to apply the nanotubes in a defined manner to specific locations on a substrate.
  • nanotubes can be used as electrical conductors in order to couple two conductor levels of a microcircuit element that are electrically separated from one another. For this it is necessary that nanotubes are only grown where an appropriate electrical coupling is desired, whereas the other areas of the substrate should remain free of nanotubes in order to avoid electrical short circuits.
  • a method for producing large-area, structured carbon nanotube arrangements is known from [3].
  • the manufacturing process is based on the CVD process ("Chemical Vapor Deposition"), where iron material is applied as a catalytically active material in a thickness of 10-100 angstroms.
  • the catalyst film is treated with a suitable photolithography and etching process
  • the growth of carbon nanotubes is set in motion by acetylene in a process space
  • the substrate is to be kept at a temperature of approximately 700 ° C. during the growth process of the nanotubes, which is a high process temperature of approximately 700 ° C.
  • the nanotubes produced in accordance with the method have only a moderate quality, ie can have defects, are often not straightforward and do not have a high degree of order.
  • [4] describes a method for producing single and free-standing multi-walled carbon nanotubes on a layer of catalyst material made of nickel, the nickel layer using the
  • Electron beam evaporation Electron Beam Evaporation
  • PECVD plasma-enhanced CVD
  • acetylene at a process temperature of approximately 660 ° C Gear set.
  • a relatively high temperature of approximately 660 ° C. is required when growing the nanotubes.
  • the quality of the nanotubes obtained according to the process is also moderate.
  • a catalyst made from an alloy of transition metals for heterogeneous catalysis is known from [5].
  • [6] discloses a hard metal coating composition for a tool.
  • a catalyst material for nanostructures is known from [7], which has several metal components.
  • [8] describes the use of nickel as a catalyst material for carbon nanotubes.
  • the invention is based on the problem of creating a catalyst material with improved connectivity to carbon nanotubes.
  • the catalyst material according to the invention for catalyzing the growth of carbon nanotubes on the catalyst material has iron, at least one further material which catalytically supports the growth of carbon nanotubes, and carbon.
  • the at least one further material which catalytically supports the growth of carbon nanotubes denotes a material which alone, ie monocomponent, catalyzes the growth of carbon nanotubes.
  • this can be from the prior art Technique known monocomponent catalyst such as nickel.
  • the further material is preferably one of the materials chromium, nickel, cobalt, platinum or palladium.
  • the catalyst material is preferably an alloy in the composition Fe ⁇ Cr y C z Ni ⁇ - ⁇ -y- z , where x> 0.335, 0.09 ⁇ y ⁇ 0.27, 0.04 ⁇ z ⁇ 0.12 and 0.035 ⁇ lxyz ⁇ 0, 105.
  • the composition of the catalyst material is preferably Feo, 67Cro, i8Co, o8Nio, o7 / ie the catalyst material is preferably composed of 67 atomic percent iron, 18 atomic percent chromium, 8 atomic percent carbon and 7 atomic percent nickel.
  • Catalyzing the growth of carbon nanotubes on the catalyst material provides an inexpensive and readily available material that is highly effective as a catalyst for growing carbon nanotubes.
  • Atomic percent nickel provides particularly good catalyst properties, the contributions of the individual components can vary about 50% around the specified values, without the good catalyst properties of the material being lost. The individual contributions of the components can therefore spread over a wide range. Therefore, no increased care is required when mixing the individual components, what enables inexpensive production of the catalyst material according to the invention.
  • a carbon nanotube arrangement according to the invention has a substrate, an intermediate layer applied to at least part of the substrate and a catalyst material layer for catalyzing the growth of carbon nanotubes on the catalyst material layer.
  • the catalyst material layer has iron, at least one other material, which is the growth of
  • Carbon nanotubes are supported catalytically and carbon is applied, and the catalyst material layer is arranged on at least part of the intermediate layer.
  • the carbon nanotube arrangement according to the invention which has the catalyst material according to the invention, is described in more detail below. Refinements of the catalyst material also apply to the carbon nanotube arrangement.
  • the intermediate layer is preferably made of an electrically conductive material.
  • the intermediate layer can in particular be produced from one or a combination of the materials silicon, silicon dioxide, aluminum oxide, tantalum, tantalum nitride, titanium and titanium nitride. Therefore, the intermediate layer can be made of either an electrically conductive material such as silicon, tantalum, tantalum nitride, titanium or titanium nitride.
  • the intermediate layer can also be made of an electrically insulating material such as silicon dioxide or aluminum oxide.
  • carbon nanotubes can be used as electrical conductors, sensor elements or switching elements with dimensions in the nanometer range.
  • the use of carbon nanotubes as molecular electronic components presupposes that the carbon nanotubes can be electrically coupled to conventional silicon microelectronics, the nanotubes then being able to be controlled or read out by a connected silicon microelectronics. This in turn presupposes an electrical contact between the microelectronics and the nanotubes.
  • the growth according to the invention of nanotubes on catalyst layers which are arranged on electrically conductive substrates is an advance in terms of the goal of coupling the carbon nanotube technology to the conventional silicon microelectronics.
  • Refinements of the catalyst material also apply to the Method of making a carbon nanotube assembly.
  • an intermediate layer is applied to at least part of a substrate, and a catalyst material layer for catalyzing the growth of carbon nanotubes on the catalyst material layer is applied to at least a part of the intermediate layer.
  • the catalyst material layer has iron, at least one further material which catalytically supports the growth of carbon nanotubes, and carbon. In a further process step, carbon nanotubes are grown on the catalyst material layer.
  • the intermediate layer is preferably made of an electrically conductive material.
  • the intermediate layer can be made of one or a combination of the materials silicon,
  • Tantalum, tantalum nitride, titanium and / or titanium nitride can be produced.
  • the intermediate layer can also be produced from an electrically insulating material, such as silicon dioxide or aluminum oxide (Al 2 O 3 ).
  • the further material which catalytically supports the growth of carbon nanotubes can be chromium, nickel, cobalt, platinum or palladium.
  • the composition Fe x Cr y C z Ni ⁇ - x -y- z is particularly advantageous if x> 0, 335, 0.09 ⁇ y ⁇ 0.27, 0, 04 ⁇ z ⁇ 0, 12 and 0, 035 ⁇ lxyz ⁇ 0, 105.
  • the composition is
  • the catalyst material layer is applied, for example, by means of molecular beam epitaxy (MBE) or by means of cathode sputtering (sputtering).
  • MBE molecular beam epitaxy
  • sputtering cathode sputtering
  • the catalyst material layer can be applied to the intermediate layer by means of sputtering. If this option is selected, the sputter deposition is carried out from a sputter target that contains the components of the catalyst material layer in the correct amounts.
  • composition of the individual components is required, but that the individual contributions of the elements of the catalyst material layer can scatter in a wide range of approximately ⁇ 50%, while the very good catalyst properties of the catalyst material are retained in the entire range described.
  • carbon nanotubes are grown on the catalyst material layer, the carbon nanotubes preferably being deposited from the gas phase, ie using the CVD process (“Chemical Vapor Deposition”).
  • the growth of the carbon nanotubes on the catalyst material layer can be realized, for example, by adding one or a combination of the materials acetylene, methane, ethene and / or acetone into the
  • the intermediate layer is preferably heated to about 600 ° C under a hydrogen atmosphere for about 5 minutes.
  • the hydrogen atmosphere and the heating promote the formation of catalytically active particles on the surface of the intermediate layer or remove an oxide layer possibly located on the surface of the catalyst layer.
  • the actual growth of the carbon nanotubes on the catalyst layer can then be carried out at temperatures of significantly less than 600 ° C., for example at 500 ° C.
  • the method according to the invention for producing a carbon nanotube arrangement has a number of advantages. For example, the process temperatures during the growth of the carbon nanotubes are reduced compared to the prior art. In addition, carbon nanotubes of a very high quality are formed in the production of a carbon nanotube arrangement according to the inventive method.
  • the grown nanotubes have only a few defects, grow straight on the catalyst material layer, and single-wall nanotubes can be produced.
  • a high degree of structural definition of grown nanotubes is a crucial prerequisite for the ability to connect nanotubes to conventional silicon microelectronics. It is a further advantage of the method according to the invention for producing a carbon nanotube arrangement that there is a high degree of flexibility with regard to the choice and the composition of the materials.
  • composition and the type of materials can be so be chosen that this is favorable for a particular application. Also, the exact composition of the materials does not have to be chosen exactly; rather, the atomic percentages can vary within a wide range of approximately ⁇ 50%. Inexpensive production is therefore possible. It is a further advantage of the method according to the invention for producing a carbon nanotube arrangement that the method has simple standard process steps that can be carried out on standardized machines, as are available in many semiconductor technology laboratories and factories. It is therefore unnecessary to develop expensive machines and / or processes. It should also be emphasized again that the catalyst material layer can be applied to an intermediate layer, which can optionally be produced from an electrically insulating or an electrically conductive material.
  • the option of forming the intermediate layer from an electrically conductive material enables the nanotubes to be electrically coupled, for example to conventional silicon microelectronics. Furthermore, the above-mentioned high degree of flexibility regarding the materials is not due to the materials of the
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view of a carbon nanotube arrangement according to a preferred exemplary embodiment of the invention
  • 2A shows a cross-sectional view of a layer arrangement at a first point in time during the production method according to a preferred exemplary embodiment of the method according to the invention for producing a carbon nanotube arrangement
  • FIG. 2B shows a cross-sectional view of a layer arrangement at a second point in time during the production method according to the preferred exemplary embodiment of the method according to the invention for producing a carbon nanotube arrangement
  • Figure 2C is a cross-sectional view of a layer arrangement at a third time during the manufacturing process according to the preferred
  • Embodiment of the method according to the invention for producing a carbon nanotube arrangement Embodiment of the method according to the invention for producing a carbon nanotube arrangement.
  • the carbon nanotube arrangement 100 shown in FIG. 1 has a substrate 101, an intermediate layer 102 applied to at least a part of the substrate 101 and a catalyst layer 103 for catalyzing the growth of carbon nanotubes on the catalyst material layer 103, the catalyst material layer 103 Iron has 67 atomic percent, chromium to 18 atomic percent, carbon to 8 atomic percent and nickel to 7 atomic percent. As shown in FIG. 1, the catalyst material layer 103 is arranged on a part of the intermediate layer 102.
  • the substrate 101 is a silicon wafer.
  • the intermediate layer 102 is made of the electrically conductive material tantalum.
  • the catalyst material layer 103 is on The intermediate layer 102 is arranged and has four sections.
  • carbon nanotubes 104 which have been grown on the surface of the catalyst material layer 103. Since carbon nanotubes 104 preferably grow on catalytically active materials, with reference to FIG. 1, the carbon nanotubes 104 have grown exclusively on those surface regions of the carbon nanotube arrangement 100 that are covered with the catalyst material layer 103. On the other hand, on those surface areas of the carbon nanotube arrangement 100 that are not covered with the catalyst material layer 103 but on which the intermediate layer 102 is exposed in certain areas are not covered with carbon nanotubes 104.
  • the described property of carbon nanotubes 104 of selectively growing on certain catalytically active materials makes it possible according to the invention to provide a carbon nanotube arrangement 100 with a high degree of structural
  • the carbon nanotubes 104 are single-walled and have grown out of the surface of the catalyst material layer 103 essentially in a straight line.
  • FIGS. 2A, 2B, 2C A preferred exemplary embodiment of the method for producing a carbon nanotube arrangement of the invention is described below with reference to FIGS. 2A, 2B, 2C.
  • an aluminum oxide layer is applied as an intermediate layer 202 to at least part of a silicon wafer as the substrate 201.
  • Catalyst material layer 203 applied to at least part of the intermediate layer 202, the catalyst material layer 203 having iron, at least one further material which catalytically supports the growth of carbon nanotubes, and carbon.
  • the layer arrangement 204 which is shown in FIG. 2B, is obtained.
  • the catalyst material layer 203 with three subsections is on the intermediate layer
  • the described process section usually has several sub-steps in practical implementation.
  • a continuous layer of catalyst material is applied to the surface of the intermediate layer 202.
  • Catalyst material layer 203 has the composition Fe 0, 67Cro, i8Co, o8 io, o7, ie the catalyst material layer
  • 203 is made from 67 atomic percent iron, 18 atomic percent chrome, 8 atomic percent carbon, and 7 atomic percent nickel.
  • Composition is applied to the surface of the intermediate layer 202 using the molecular beam epitaxy (MBE) method.
  • MBE molecular beam epitaxy
  • the substrate to be covered with a layer is heated in a process chamber, in order, if appropriate, to be deposited on the
  • the material to be deposited on the substrate surface or the materials to be deposited on the substrate surface are vaporized in the molecular beam epitaxy method by an electron beam directed onto a material source and are deposited on the surface of the heated substrate.
  • the method for producing a carbon nanotube assembly is a four-component catalyst layer Fe 0 0 67Cr, i8Co, o8Nio applied ⁇ 7 on the surface of the intermediate layer made of alumina on the substrate 202, two hundred and first This is realized according to the invention by carrying out the molecular beam epitaxy process with four individual component material sources (iron, chromium, carbon, nickel).
  • four material sources are made in a process chamber, the first of which is made of iron material, the second of which is made of chrome material, the third of which is made of carbon material and the fourth of which is made of nickel material is irradiated with an electron beam in a high vacuum.
  • atoms of the respective material evaporate independently of one another from the surfaces of the four material sources described.
  • These atoms of the four materials are deposited on the surface of the heated substrate 201 covered with an intermediate layer 202 made of aluminum oxide.
  • the four individual components mix in an adjustable composition on the surface of the intermediate layer 202 in order to form a continuous layer thereon from the catalyst material according to the invention.
  • the continuous layer of the catalyst material could be deposited on the intermediate layer 202 made of aluminum oxide on the substrate 201 using the sputtering method (sputtering method).
  • sputtering method strongly accelerated ions come out of one
  • Sputter target which contains the material to be deposited, atoms or molecules. These molecules accumulate the surface of the substrate 201 covered with the intermediate layer 202.
  • ions for example argon ions generated by a gas discharge
  • the accelerated argon ions transfer their energy to the target material by impact and thereby release material.
  • the target layer is thus atomized and the released material is deposited on the substrate 201 covered with the intermediate layer 202.
  • a sputtering target is used when using the cathode sputtering method, which contains the components of the catalyst material layer 203 in the correct amounts.
  • the catalyst material layer Feo, 67Cro, i8Co, o8 io, o7 a target with 67 atomic percent iron, 18 atomic percent chromium, 8 atomic percent carbon and 7 atomic percent nickel is used as the sputtering target. It should be noted that the values given can vary within a wide range of ⁇ 50%, i.e. For the catalytic effect of the catalyst material layer, it is not necessary to mix the individual components in exactly the right amounts.
  • the continuous catalyst material layer is closed pattern to obtain the layer arrangement 204 shown in FIG. 2B. Structuring the previous continuous catalyst material layer such that, as shown in FIG. 2B, three
  • the carbon nanotube arrangement 206 shown in FIG. 2C is thereby obtained.
  • carbon nanotubes 205 are grown on each of the three partial regions of the catalyst material layer 203.
  • the third method section also has several subsections.
  • the substrate 201 with the intermediate layer 202 arranged thereon and the catalyst material layer 203 arranged thereon is heated to about 600 ° C. in a hydrogen flow for about five minutes. This removes, among other things, an oxide layer possibly located on the surface of the layer arrangement 204.
  • acetylene (C 2 H 2 ) is then introduced in gaseous form as a carbon source in a CVD process chamber in order to prevent the growth of
  • Carbon nanotubes 205 on the catalyst material layer 203 This is implemented using the gas phase epitaxy process, which is also referred to as CVD (“Chemical Vapor Deposition”) process. Because of the temperature in the process chamber of less than 600 ° C. (for example 500 ° C.), this is The carbon material contained in the acetylene gas is then deposited on the surface of the layer arrangement 204, preferably on those surface regions of the layer arrangement 204 which are in contact with the catalyst material layer 203 are covered. As a result, carbon nanotubes 205 grow on the catalyst material layer 203.
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • the carbon nanotube arrangement 206 shown in FIG. 2C is obtained, which essentially corresponds to the carbon nanotube arrangement 100 shown in FIG. 1.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kohlenstoffnanoröhren-Katalysatormaterial, eine Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung und ein Verfahren zum Herstellen einer Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung. Das Kohlenstoffnanoröhren-Katalysatormaterial zum Katalysieren des Aufwachsens von Kohlenstoffnanoröhren auf dem Kohlenstoffnanoröhren-Katalysatormaterial weist Eisen, mindestens ein weiteres Material, ausgewählt aus Chrom, Nickel, Cobalt, Platin oder Palladium und Kohlenstoff auf.

Description

Beschreibung
Kohlenstoffnanoröhren-Katalysatormaterial,
Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung und Verfahren zum Herstellen einer Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung
Die Erfindung betrifft ein Kohlenstoffnanoröhren- Katalysatormaterial, eine Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung und ein Verfahren zum Herstellen einer Kohlenstoffnanoröhren- Anordnung.
Die herkömmliche Silizium-Mikroelektronik wird bei weiter voranschreitender Verkleinerung an ihre Grenzen stoßen. Insbesondere die Entwicklung zunehmend kleinerer und dichter angeordneter Transistoren von mittlerweile mehreren hundert Millionen Transistoren pro Chip wird in den nächsten zehn Jahren prinzipiellen physikalischen Problemen und Begrenzungen ausgesetzt sein. Wenn Strukturabmessungen von 80 Nanometern unterschritten werden, werden die Bauelemente durch Quanteneffekte störend beeinflusst und unterhalb von Dimensionen von etwa 30 Nanometern dominiert. Auch führt die zunehmende Integrationsdichte der Bauelemente auf einem Chip zu einem dramatischen Anstieg der Abwärme.
Als eine mögliche Nachfolgetechnik der herkömmlichen
Halbleiterelektronik sind Kohlenstoffnanoröhren bekannt. Eine Übersicht über diese Technologie gibt beispielsweise [1] . Eine Nanoröhre ist eine einwandige oder mehrwandige, röhrenartige KohlenstoffVerbindung. Bei mehrwandigen Nanoröhren ist mindestens eine innere Nanoröhre von einer äußeren Nanoröhre koaxial umgeben. Einwandige Nanoröhren weisen typisch Durchmesser von ungefähr einem Nanometer auf, die Länge einer Nanoröhre kann mehrere hundert Nanometer betragen. Die Enden einer Nanoröhre sind häufig mit jeweils einem halben Fulleren olekülteil abgeschlossen. Das ausgedehnte π-Elektronensystem und die geometrische Struktur von Nanoröhren bewirken eine gute elektrische Leitfähigkeit, weshalb Nanoröhren geeignet für den Aufbau von Schaltkreisen mit Dimensionen im Nanometerbereich sind. Aus [2] ist bekannt, dass die elektrische Leitfähigkeit von Kohlenstoffnanoröhren die von Metallen gleicher Abmessung deutlich übersteigen kann.
Aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit von Nanoröhren sowie aufgrund der Einstellbarkeit dieser Leitfähigkeit
(beispielsweise durch Anlegen eines externen elektrischen Feldes oder durch Dotieren der Nanoröhren mit Bornitrid) eignen sich Nanoröhren für eine große Anzahl von Anwendungen, beispielsweise für die elektrische Verbindungstechnik in integrierten Schaltkreisen, für Bauelemente in der Mikroelektronik sowie als Elektronenemitter.
Für die Verwendung von Nanoröhren in der Mikroelektronik ist es oftmals wünschenswert, die Nanoröhren an bestimmten Orten eines Substrats definiert aufzubringen. Beispielsweise können Nanoröhren als elektrische Leiter verwendet werden, um zwei voneinander elektrisch getrennte Leiterebenen eines Mikroschaltungselements zu koppeln. Hierfür ist erforderlich, dass Nanoröhren nur dort aufgewachsen werden, wo eine entsprechende elektrische Kopplung angestrebt wird, wohingegen die anderen Bereiche des Substrates frei von Nanoröhren bleiben sollen, um elektrische Kurzschlüsse zu vermeiden.
Um dieses Ziel zu erreichen, ist bekannt, ein das Wachstum von Nanoröhren katalysierendes Material, beispielsweise Eisen, auf ein Substrat aufzubringen , wobei auf dem katalytisch aktiven Material Nanoröhren aufgewachsen werden.
Aus [3] ist ein Verfahren zum Herstellen von großflächigen, strukturierten Kohlenstoffnanoröhren-Anordnungen bekannt. Das Herstellungsverfahren basiert auf dem CVD-Verfahren („Chemical Vapour Deposition"), wobei als katalytisch aktives Material Eisen-Material in einer Dicke von 10-100 Angström aufgebracht wird. Um eine strukturierte Anordnung von Kohlenstoffnanoröhren zu erreichen, wird der Katalysatorfilm mit einem geeigneten Fotolithografie- und Ätzverfahren behandelt. Mittels Einleiten von Azetylen in einen Verfahrensraum wird das Wachstum von Kohlenstoffnanoröhren in Gang gesetzt. Gemäß dem in [3] beschriebenen Verfahren ist das Substrat während des Aufwachsprozesses der Nanoröhren auf einer Temperatur von ungefähr 700°C zu halten. Diese hohe Verfahrenstemperatur von ungefähr 700°C ist nachteilhaft. Auch ist nachteilhaft, dass die verfahrensgemäß hergestellten Nanoröhren nur eine mäßige Qualität aufweisen, d.h. Fehlerstellen aufweisen können, oft nicht geradlinig sind und keinen hohen Ordnungsgrad aufweisen.
In [4] ist ein Verfahren zum Herstellen einzelner und freistehender mehrwandiger Kohlenstoffnanoröhren auf einer Katalysatormaterial-Schicht aus Nickel beschrieben, wobei die Nickel-Schicht unter Verwendung des
Elektronenstrahlverdampfungs-Verfahrens („Electron Beam Evaporation") abgesetzt wird. Unter Verwendung des plasmaunterstützten CVD-Verfahrens („Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition", PECVD) wird dann unter Einleiten von Azetylen bei einer Verfahrenstemperatur von annähernd 660°C das Aufwachsen der Kohlenstoffnanoröhren in Gang gesetzt. Auch gemäß dem in [4] beschriebenen Verfahren ist eine relativ hohe Temperatur von ungefähr 660°C beim Aufwachsen der Nanoröhren erforderlich. Auch ist die Qualität der verfahrensgemäß erhaltenen Nanoröhren mäßig. Ferner ist verfahrensgemäß ein Aufwachsen auf elektrisch leitfähigen Unterlagen nicht möglich, wenn eine hinreichend gute Qualität der Kohlenstoffnanoröhren erreicht werden soll. Dies erschwert die Ankoppelbarkeit der Nanoröhren an eine herkömmliche Silizium-Mikroelektronik. Aus [5] ist ein Katalysator aus einer Legierung von Übergangsmetallen für die heterogene Katalyse bekannt.
In [6] ist eine Hartmetallauflage-Zusammensetzung für ein Werkzeug offenbart.
Aus [7] ist ein Katalysatormaterial für Nanostrukturen bekannt, der mehrere Metallkomponenten aufweist.
[8] beschreibt die Verwendung von Nickel als Katalysatormaterial für Kohlenstoffnanoröhren.
In [9] ist offenbart, ein Katalysatormaterial wie Nickel, Kobalt, Rhodium und Palladium zum Aufwachsen von Kohlenstoffnanoröhren zu verwenden.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Katalysatormaterial mit einer verbesserten Ankoppelbarkeit an Kohlenstoffnanoröhren zu schaffen.
Das Problem wird durch ein Kohlenstoffnanoröhren- Katalysatormaterial, eine Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung und ein Verfahren zum Herstellen einer Kohlenstoffnanoröhren- Anordnung mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
Das erfindungsgemäße Katalysatormaterial zum Katalysieren des Aufwachsens von Kohlenstoffnanoröhren auf dem Katalysatormaterial weist Eisen, mindestens ein weiteres Material, welches das Aufwachsen von Kohlenstoffnanoröhren katalytisch unterstützt, und Kohlenstoff auf.
Mit dem mindestens einen weiteren Material, welches das Aufwachsen von Kohlenstoffnanoröhren katalytisch unterstützt, ist ein Material bezeichnet, das alleine, d.h. monokomponentig, das Aufwachsen von Kohlenstoffnanoröhren katalysiert. Beispielsweise kann dies ein aus dem Stand der Technik bekannter monokomponentiger Katalysator wie Nickel sein.
Das weitere Material ist vorzugsweise eines der Materialien Chrom, Nickel, Cobalt, Platin oder Palladium. Vorzugsweise ist das Katalysatormaterial eine Legierung in der Zusammensetzung FeχCryCzNiι-χ-y-z vorliegend, wobei x>0,335, 0,09<y<0,27, 0,04<z<0,12 und 0, 035<l-x-y-z<0 , 105. Vorzugsweise ist die Zusammensetzung des Katalysatormaterials Feo,67Cro,i8Co,o8Nio,o7/ d.h. das Katalysatormaterial ist vorzugsweise aus 67 Atomprozenten Eisen, 18 Atomprozenten Chrom, 8 Atomprozenten Kohlenstoff und 7 Atomprozenten Nickel zusammengesetzt .
Mit dem erfindungsgemäßen Katalysatormaterial zum
Katalysieren des Aufwachsens von Kohlenstoffnanoröhren auf dem Katalysatormaterial ist ein preiswertes und leicht verfügbares Material bereitgestellt, das hoch wirksam als Katalysator zum Aufwachsen von Kohlenstoffnanoröhren wirkt . Die Einzelkomponenten des Katalysatormaterials - Eisen,
Kohlenstoff und mindestens ein weiteres, für das Wachstum von Kohlenstoffnanoröhren katalytisch wirkendes Material wie Chrom, Nickel, Cobalt, Platin oder Palladium - sind allesamt kommerziell erhältlich und kostengünstig.
Wie oben ausgeführt, kommt es nicht darauf auf, die Einzelkomponenten des Katalysatormaterials der Erfindung in stöchiometrisch exakter Konzentration bereitzustellen. Wenngleich die Zusammensetzung mit 67 Atomprozenten Eisen, 18 Atomprozenten Chrom, 8 Atomprozenten Kohlenstoff und 7
Atomprozenten Nickel besonders gute Katalysatoreigenschaften liefert, können die Beiträge der Einzelkomponenten ungefähr 50% um die angegebenen Werte variieren, ohne dass die guten Katalysatoreigenschaften des Materials dadurch verloren gingen. Die Einzelbeiträge der Komponenten können also über einen breiten Bereich streuen. Daher ist bei der Mischung der Einzelkomponenten keine erhöhte Sorgfalt erforderlich, was eine kostengünstige Herstellung des erfindungsgemäßen Katalysatormaterials ermöglicht.
Eine erfindungsgemäße Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung weist ein Substrat, eine auf mindestens einem Teil des Substrats aufgebrachte Zwischenschicht und eine Katalysatormaterial- Schicht zum Katalysieren des Aufwachsens von Kohlenstoffnanoröhren auf der Katalysatormaterial-Schicht auf. Die Katalysatormaterial-Schicht weist Eisen, mindestens ein weiteres Material, welches das Aufwachsen von
Kohlenstoffnanoröhren katalytisch unterstützt und Kohlenstoff auf, und die Katalysatormaterial-Schicht ist auf mindestens einem Teil der Zwischenschicht angeordnet.
Im Weiteren wird die erfindungsgemäße Kohlenstoffnanoröhren- Anordnung, welche das erfindungsgemäße Katalysatormaterial aufweist, näher beschrieben. Ausgestaltungen des Katalysatormaterials gelten auch für die Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung.
Vorzugsweise ist die Zwischenschicht aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt. Die Zwischenschicht kann insbesondere aus einem oder einer Kombination der Materialien Silizium, Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Tantal, Tantalnitrid, Titan und Titannitrid hergestellt sein. Daher kann die Zwischenschicht entweder aus einem elektrisch leitfähigen Material wie beispielsweise Silizium, Tantal, Tantalnitrid, Titan oder Titannitrid hergestellt sein. Die Zwischenschicht kann ferner aus einem elektrisch isolierenden Material wie Siliziumdioxid oder Aluminiumoxid hergestellt sein.
Erfindungsgemäß ist es also ermöglicht, Nanoröhren auch auf elektrisch leitfähigen Unterlagen herzustellen. Mit anderen Worten ist mit der Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung die
Möglichkeit geschaffen, das Katalysatormaterial auf einer elektrisch leitfähigen Schicht aufzubringen und darauf Kohlenstoffnanoröhren aufwachsen zu lassen. Wie oben ausgeführt, ist dies gemäß dem Stand der Technik nicht möglich. Alternativ ist es allerdings auch möglich, bei der erfindungsgemäßen Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung die Zwischenschicht aus einem elektrisch isolierenden Material herzustellen. Daher ist die Unterlage der Katalysatorschicht flexibel auf die Bedürfnisse des Einzelfalles einstellbar, weshalb die Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung für viele Anwendungen geeignet ist. Es ist jedoch zu betonen, dass insbesondere die Möglichkeit, eine Katalysatorschicht zum Aufwachsen von Kohlenstoffnanoröhren auf einer elektrisch leitfähigen Unterlage aufbringen zu können, vielfältige Anwendungsmöglichkeiten der Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung eröffnet. Wie oben erläutert, kommen Kohlenstoffnanoröhren für molekularelektronische Anwendungen in Betracht.
Beispielsweise können Kohlenstoffnanoröhren als elektrische Leiter, Sensorelemente oder Schaltelemente mit Dimensionen im Nanometerbereich verwendet werden. Die Verwendung von Kohlenstoffnanoröhren als molekularelektronische Bauelemente setzt allerdings voraus, dass die Kohlenstoffnanoröhren elektrisch an eine herkömmliche Silizium-Mikroelektronik ankoppelbar sind, wobei dann durch eine angeschlossene Silizium-Mikroelektronik die Nanoröhren ansteuerbar bzw. auslesbar sind. Dies setzt wiederum einen elektrischen Kontakt zwischen der Mikroelektronik und den Nanoröhren voraus. Das erfindungsgemäß realisierte Aufwachsen von Nanoröhren auf Katalysatorschichten, die auf elektrisch leitfähigen Unterlagen angeordnet sind, ist ein Fortschritt hinsichtlich des angestrebten Ziels der Ankoppelung der Kohlenstoffnanoröhren-Technologie an die herkömmliche Silizium-Mikroelektronik.
Im Weiteren wird das Verfahren zum Herstellen einer Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung beschrieben, welches auf das erfindungsgemäße Katalysatormaterial Bezug nimmt.
Ausgestaltungen des Katalysatormaterials gelten auch für das Verfahren zum Herstellen einer Kohlenstoffnanoröhren- Anordnung .
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung wird auf mindestens einen Teil eines Substrats eine Zwischenschicht aufgebracht, und eine Katalysatormaterial-Schicht zum Katalysieren des Aufwachsens von Kohlenstoffnanoröhren auf der Katalysatormaterial-Schicht wird auf mindestens einen Teil der Zwischenschicht aufgebracht. Die aufgebrachte
Katalysatormaterial-Schicht weist Eisen, mindestens ein weiteres Material, welches das Aufwachsen von Kohlenstoffnanoröhren katalytisch unterstützt, und Kohlenstoff auf. In einem weiteren Verfahrensschritt werden Kohlenstoffnanoröhren auf der Katalysatormaterial-Schicht aufgewachsen .
Die Zwischenschicht wird vorzugsweise aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt. So kann die Zwischenschicht aus einem oder einer Kombination der Materialien Silizium,
Tantal, Tantalnitrid, Titan und/oder Titannitrid hergestellt werden. Alternativ kann die Zwischenschicht allerdings auch aus einem elektrisch isolierenden Material wie beispielsweise Siliziumdioxid oder Aluminiumoxid (Al203) hergestellt werden.
Auch bei dem Verfahren zum Herstellen einer Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung kann das weitere Material, welches das Aufwachsen von Kohlenstoffnanoröhren katalytisch unterstützt, Chrom, Nickel, Cobalt, Platin oder Palladium sein. Auch ist die Zusammensetzung FexCryCzNiι-x-y-z besonders vorteilhaft, wenn x>0, 335, 0,09<y<0,27, 0, 04<z≤0, 12 und 0, 035<l-x-y-z≤0, 105 ist. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Zusammensetzung
Feo,67Cro,i8Co,θ8Nio,θ7 • Die Katalysatormaterial-Schicht wird beispielsweise mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) oder mittels Kathodenzerstäubung (Sputtern) aufgebracht.
Wird erfindungsgemäß die Katalysatorschicht auf die
Zwischenschicht mittels Molekularstrahlepitaxie aufgebracht, so werden bei dem Molekularstrahlepitaxie-Verfahren mehrere einzelkomponentige Materialquellen verwendet, wobei die Einzelmaterialien der Materialquellen dann auf der Oberfläche der Zwischenschicht mischen, sodass eine Schicht des erfindungsgemäßen Katalysatormaterials auf der Oberfläche der Zwischenschicht abgeschieden wird. Die einzelkomponentigen Materialquellen sind derart eingerichtet, dass das auf der Zwischenschicht abgeschiedene Katalysatormaterial die gewünschten Atomprozente von Eisen, von Kohlenstoff und des mindestens einen weiteren Materials, welches das Aufwachsen von Kohlenstoffnanoröhren katalytisch unterstützt, aufweist.
Alternativ kann die Katalysatormaterial-Schicht auf die Zwischenschicht mittels Kathodenzerstäubung (Sputtern) aufgebracht werden. Wird diese Option gewählt, so erfolgt die Sputter-Abscheidung von einem Sputter-Target aus, das die Komponenten der Katalysatormaterial-Schicht in den richtigen Mengen enthält. Dabei kommt ein Vorteil der Erfindung zum Tragen, dass nicht eine stöchiometrisch exakte
Zusammensetzung der Einzelkomponenten erforderlich ist, sondern dass die Einzelbeiträge der Elemente der Katalysatormaterial-Schicht in einem breiten Bereich von ungefähr ±50% streuen können, wobei die sehr guten Katalysatoreigenschaften des Katalysatormaterials in dem gesamten beschriebenen Bereich erhalten bleiben.
In einem weiteren Verfahrensschritt werden Kohlenstoffnanoröhren auf der Katalysatormaterial-Schicht aufgewachsen, wobei die Abscheidung der Kohlenstoffnanoröhren vorzugsweise aus der Gasphase, d.h. unter Verwendung des CVD- Verfahrens („Chemical Vapour Deposition") erfolgt. Das Aufwachsen der Kohlenstoffnanoröhren auf der Katalysatormaterial-Schicht kann beispielsweise realisiert werden, indem eines oder eine Kombination der Materialien Acetylen, Methan, Ethen und/oder Aceton in die
Verfahrenskämmer eingeleitet wird/werden. Zuvor wird vorzugsweise die Zwischenschicht unter einer Wasserstoffatmosphäre ungefähr 5 Minuten lang auf ungefähr 600°C erhitzt. Die Wasserstoffatmosphäre und das Heizen fördern die Ausbildung von katalytisch aktiven Partikeln auf der Oberfläche der Zwischenschicht bzw. entfernen eine möglicherweise auf der Oberfläche der Katalysatorschicht befindliche Oxidschicht. Das eigentliche Aufwachsen der Kohlenstoffnanoröhren auf der Katalysatorschicht kann dann bei Temperaturen von deutlich weniger als 600°C, beispielsweise bei 500°C, realisiert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung weist eine Reihe von Vorteilen auf. So sind beispielsweise die Verfahrenstemperaturen beim Aufwachsen der Kohlenstoffnanoröhren gegenüber dem Stand der Technik herabgesetzt. Darüber hinaus werden bei der Herstellung einer Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren Kohlenstoffnanoröhren einer sehr hohen Qualität ausgebildet. Die aufgewachsenen Nanoröhren weisen nur wenige Fehlerstellen auf, wachsen geradlinig auf der Katalysatormaterial-Schicht auf, und es sind einwandige Nanoröhren herstellbar. Ein hoher Grad struktureller Definiertheit von aufgewachsenen Nanoröhren ist eine entscheidende Voraussetzung dafür, dass Nanoröhren an eine herkömmliche Silizium-Mikroelektronik ankoppelbar sind. Es ist ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung, dass bezüglich der Wahl und der Zusammensetzung der Materialien ein hoher Grad an Flexibilität besteht. Sowohl die Zusammensetzung als auch die Art der Materialien können so gewählt werden, dass dies für eine bestimmte Anwendung günstig ist. Auch muss die genaue Zusammensetzung der Materialien nicht exakt gewählt werden, vielmehr können die Atomprozente in einem breiten Bereich von ungefähr ±50% streuen. Daher ist eine kostengünstige Herstellung möglich. Es ist ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung, dass das Verfahren einfache Standardprozessschritte aufweist, die auf standardisierten Maschinen ausgeführt werden können, wie sie in vielen halbleitertechnologischen Labors und Fabriken zur Verfügung stehen. Es ist damit entbehrlich, teure Maschinen und/oder Verfahren zu entwickeln. Auch ist nochmals zu betonen, dass die Katalysatormaterial-Schicht auf einer Zwischenschicht aufgebracht werden kann, die wahlweise aus einem elektrisch isolierenden oder einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt werden kann. Insbesondere die Option, die Zwischenschicht aus einem elektrisch leitfähigen Material auszubilden, ermöglicht eine elektrische Ankoppelung der Nanoröhren beispielsweise an eine herkömmliches Silizium-Mikroelektronik. Ferner ist der oben angesprochene hohe Grad an Flexibilität bezüglich der Materialien nicht auf die Materialien der
Katalysatormaterial-Schicht beschränkt. Auch hinsichtlich der Materialien für die Zwischenschicht und der Materialien als Kohlenstoffquelle zum Aufwachsen der Nanoröhren besteht weitgehend Dispositionsfreiheit.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Weiteren näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine Querschnittsansicht einer Kohlenstoffnanoröhren- Anordnung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, Figur 2A eine Querschnittsansicht einer Schichtanordnung zu einem ersten Zeitpunkt während des Herstellungsverfahrens gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung,
Figur 2B eine Querschnittsansicht einer Schichtanordnung zu einem zweiten Zeitpunkt während des Herstellungsverfahrens gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung,
Figur 2C eine Querschnittsansicht einer Schichtanordnung zu einem dritten Zeitpunkt während des Herstellungsverfahrens gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung.
Bezugnehmend auf Fig. 1 wird im Weiteren ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung beschrieben. Die in Fig. 1 gezeigte Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung 100 weist ein Substrat 101, eine auf mindestens einem Teil des Substrats 101 aufgebrachte Zwischenschicht 102 und eine Katalysatorschicht 103 zum Katalysieren des Aufwachsens von Kohlenstoffnanoröhren auf der Katalysatormaterial-Schicht 103 auf, wobei die Katalysatormaterial-Schicht 103 Eisen zu 67 Atomprozenten, Chrom zu 18 Atomprozenten, Kohlenstoff zu 8 Atomprozenten und Nickel zu 7 Atomprozenten aufweist. Wie in Fig. 1 gezeigt, ist die Katalysatormaterial-Schicht 103 auf einem Teil der Zwischenschicht 102 angeordnet.
Gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung ist das Substrat 101 ein Silizium-Wafer . Die Zwischenschicht 102 ist aus dem elektrisch leitfähigen Material Tantal hergestellt. Wie in Fig. 1 gezeigt, ist die Katalysatormaterialschicht 103 auf der Zwischenschicht 102 angeordnet und weist vier Teilabschnitte auf.
Ferner sind in Fig. 1 Kohlenstoffnanoröhren 104 gezeigt, die auf der Oberfläche der Katalysatormaterialschicht 103 aufgewachsen sind. Da Kohlenstoffnanoröhren 104 bevorzugt auf katalytisch aktiven Materialien aufwachsen, sind die Kohlenstoffnanoröhren 104 bezugnehmend auf Fig. 1 ausschließlich auf denjenigen Oberflächenbereichen der Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung 100 aufgewachsen, die mit der Katalysatormaterial-Schicht 103 bedeckt sind. Dagegen sind auf denjenigen Oberflächenbereichen der Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung 100, die nicht mit der Katalysatormaterial-Schicht 103 bedeckt sind, sondern auf denen die Zwischenschicht 102 bereichsweise freiliegt, nicht mit Kohlenstoffnanoröhren 104 bedeckt. Durch die beschriebene Eigenschaft von Kohlenstoffnanoröhren 104, selektiv auf bestimmten katalytisch aktiven Materialien aufzuwachsen, ist es erfindungsgemäß ermöglicht, eine Kohlenstoffnanoröhren- Anordnung 100 mit einem hohen Grad an struktureller
Definiertheit der Kohlenstoffnanoröhren 104 zu erhalten. Die Kohlenstoffnanoröhren 104 sind einwandig und sind im Wesentlichen geradlinig aus der Oberfläche der Katalysatormaterial-Schicht 103 herausgewachsen.
Im Weiteren wird unter Bezugnahme auf Fig. 2A, Fig. 2B, Fig. 2C ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Herstellen einer Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung der Erfindung beschrieben.
In einem ersten Verfahrensschritt wird auf mindestens einem Teil eines Silizium-Wafers als Substrats 201 eine Aluminiumoxid-Schicht als Zwischenschicht 202 aufgebracht.
Dadurch wird die in Fig. 2A gezeigte Schichtanordnung 200 erhalten. In einem zweiten Verfahrensschritt wird eine Katalysatormaterial-Schicht 203 zum Katalysieren des Aufwachsens von Kohlenstoffnanoröhren auf der
Katalysatormaterial-Schicht 203 auf mindestens einem Teil der Zwischenschicht 202 aufgebracht, wobei die Katalysatormaterial-Schicht 203 Eisen, mindestens ein weiteres Material, welches das Aufwachsen von Kohlenstoffnanoröhren katalytisch unterstützt, und Kohlenstoff aufweist.
Nach diesem zweiten Verfahrensschritt wird die Schichtanordnung 204 erhalten, die in Fig. 2B gezeigt ist. Gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung ist die Katalysatormaterial- Schicht 203 mit drei Teilabschnitten auf der Zwischenschicht
202 aufgebracht. Der beschriebene Verfahrensabschnitt weist in der praktischen Realisierung üblicherweise mehrere Teilschritte auf.
In einem ersten Teilschritt wird gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung eine durchgehende Schicht aus Katalysatormaterial auf der Oberfläche der Zwischenschicht 202 aufgebracht. Die
Katalysatormaterial-Schicht 203 weist die Zusammensetzung Fe0,67Cro,i8Co,o8 io,o7 auf, d.h. die Katalysatormaterial-Schicht
203 ist aus 67 Atomprozenten Eisen, 18 Atomprozenten Chrom, 8 Atomprozenten Kohlenstoff und 7 Atomprozenten Nickel hergestellt. Das Katalysatormaterial der beschriebenen
Zusammensetzung wird auf die Oberfläche der Zwischenschicht 202 unter Verwendung des Molekularstrahlepitaxie-Verfahrens (MBE) aufgebracht. Bei dem Molekularstrahlepitaxie-Verfahren wird in einer Verfahrenskammer das mit einer Schicht zu bedeckende Substrat erhitzt, um gegebenenfalls auf der
Oberfläche des Substrats befindliche Oxidfilme zu entfernen. Das auf der Substratoberfläche abzuscheidende Material bzw. die auf der Substratoberfläche abzuscheidenden Materialien werden bei dem Molekularstrahlepitaxie-Verfahren durch einen auf eine Materialquelle gerichteten Elektronenstrahl verdampft und schlagen sich auf der Oberfläche des erhitzten Substrats nieder. Gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Herstellen einer Kohlenstoffnanoröhren- Anordnung wird eine vierkomponentige Katalysatorschicht Fe0,67Cr0,i8Co,o8Nio,θ7 auf der Oberfläche der aus Aluminiumoxid hergestellten Zwischenschicht 202 auf dem Substrat 201 aufgebracht. Dies wird erfindungsgemäß realisiert, indem das Molekularstrahlepitaxie-Verfahren mit vier einzelkomponentigen Materialquellen (Eisen, Chrom, Kohlenstoff, Nickel) durchgeführt wird. Dazu werden in einer Verfahrenskammer vier Materialquellen, von denen die erste aus Eisen-Material hergestellt ist, von denen die zweite aus Chrom-Material hergestellt ist, von denen die dritte aus Kohlenstoff-Material hergestellt ist und von denen die vierte aus Nickel-Material hergestellt ist, im Hochvakuum jeweils mit einem Elektronenstrahl bestrahlt. Dadurch verdampfen von den Oberflächen der vier beschriebenen Materialquellen unabhängig voneinander Atome des jeweiligen Materials. Diese Atome der vier Materialien schlagen sich auf der Oberfläche des beheizten, mit einer Zwischenschicht 202 aus Aluminiumoxid bedeckten Substrats 201 nieder. Mit anderen Worten mischen die vier Einzelkomponenten in einer einstellbaren Zusammensetzung auf der Oberfläche der Zwischenschicht 202, um darauf eine durchgehende Schicht aus dem erfindungsgemäßen Katalysatormaterial auszubilden.
Alternativ zum Molekularstrahlepitaxie-Verfahren könnte die durchgehende Schicht aus dem Katalysatormaterial auf der auf dem Substrat 201 befindlichen Zwischenschicht 202 aus Aluminiumoxid unter Verwendung des Sputter-Verfahrens (Kathodenzerstäubung) abgeschieden werden. Bei dem Sputter- Verfahren schlagen stark beschleunigte Ionen aus einem
Sputter-Target, welches das abzuscheidende Material enthält, Atome oder Moleküle heraus. Diese Moleküle lagern sich auf der Oberfläche des mit der Zwischenschicht 202 bedeckten Substrats 201 an. Zum Abtragen des Materials von dem Sputter- Target werden Ionen (beispielsweise durch eine Gas-Entladung generierte Argon-Ionen) in einem elektrischen Feld auf das Sputter-Target hin beschleunigt. Die beschleunigten Argon- Ionen übertragen ihre Energie durch Stöße auf das Target- Material und setzen dabei Material f ei . Somit wird die Target-Schicht zerstäubt und das freigesetzte Material schlägt sich auf dem mit der Zwischenschicht 202 bedeckten Substrat 201 nieder. Um erfindungsgemäß eine angestrebte
Zusammensetzung der Katalysatormaterial-Schicht 203 auf der Zwischenschicht 202 zu realisieren, wird bei der Verwendung des Kathodenzerstäubungs-Verfahrens ein Sputter-Target verwendet, das die Komponenten der Katalysatormaterial- Schicht 203 in den richtigen Mengen enthält. Um eine
Katalysatormaterial-Schicht Feo,67Cro,i8Co,o8 io,o7 zu erhalten, wird als Sputter-Target ein Target mit 67 Atomprozenten Eisen, 18 Atomprozenten Chrom, 8 Atomprozenten Kohlenstoff und 7 Atomprozenten Nickel verwendet. Es ist darauf hinzuweisen, dass die angegebenen Werte in einem breiten Bereich ±50% streuen können, d.h. für die katalytische Wirkung der Katalysatormaterial-Schicht ist es nicht erforderlich, die einzelnen Komponenten in den exakt richtigen Mengen zu mischen.
Nach Durchführen des ersten Teilschrittes des auf die Schicht-Anordnung 204 (siehe Fig. 2B) führenden zweiten Verfahrensabschnitts, bei dem auf der Oberfläche der Zwischenschicht 202 eine durchgehende Schicht des Katalysatormaterials durch Molekularstrahlepitaxie oder Kathodenzerstäubung abgeschieden worden ist, ist die durchgehende Katalysatormaterial-Schicht zu strukturieren, um die in Fig. 2B gezeigte Schichtanordnung 204 zu erhalten. Das Strukturieren der zuvor durchgehenden Katalysatormaterial- Schicht derart, dass, wie in Fig. 2B gezeigt, drei
Oberflächenabschnitte der Zwischenschicht 202 mit der Katalysatormaterial-Schicht 203 bedeckt sind, erfolgt gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Herstellen einer Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung durch Verwendung eines geeigneten Lithografie- und Ätzverfahrens. Dadurch wird die in Fig. 2B gezeigte Schichtanordnung 204 erhalten.
In einem dritten Verfahrensabschnitt werden
Kohlenstoffnanoröhren 205 auf der Katalysatormaterial-Schicht
203 aufgewachsen.
Dadurch wird die in Fig. 2C gezeigte Kohlenstoffnanoröhren- Anordnung 206 erhalten. Gemäß der in Fig. 2C gezeigten Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung 206 werden auf jeden der drei Teilbereiche der Katalysatormaterial-Schicht 203 Kohlenstoffnanoröhren 205 aufgewachsen. Auch der dritte Verfahrensabschnitt weist mehrere Teilabschnitte auf. In einem ersten Teilabschnitt wird das Substrat 201 mit der darauf angeordneten Zwischenschicht 202 und der darauf angeordneten Katalysatormaterial-Schicht 203 für ungefähr fünf Minuten in Wasserstoffdurchfluss auf ca. 600°C erhitzt. Dadurch wird u.a. eine gegebenenfalls auf der Oberfläche der Schichtanordnung 204 befindliche Oxidschicht entfernt. In einem weiteren Teilschritt wird dann in einen CVD- Verfahrensraum Acetylen (C2H2) als Kohlenstoffquelle gasförmig eingeleitet, um das Aufwachsen der
Kohlenstoffnanoröhren 205 auf der Katalysatormaterial-Schicht 203 in Gang zu setzen. Dies wird unter Verwendung des Gasphasenepitaxie-Verfahrens, das auch als CVD-Verfahren („Chemical Vapour Deposition") bezeichnet wird, realisiert. Aufgrund der in der Verfahrenskammer herrschenden Temperatur von weniger als 600°C (beispielsweise 500°C) wird das in die Verfahrenskammer eingeleitete Azetylengas thermisch zersetzt und in seine Einzelkomponenten zerlegt. Das in dem Azetylengas enthaltene Kohlenstoffmaterial schlägt sich dann auf der Oberfläche der Schichtanordnung 204 nieder, und zwar bevorzugt auf denjenigen Oberflächenbereichen der Schichtanordnung 204, die mit der Katalysatormaterial-Schicht 203 bedeckt sind. Dadurch wachsen Kohlenstoffnanoröhren 205 auf der Katalysatormaterial-Schicht 203 auf.
Auf die beschriebene Weise wird die in Fig. 2C gezeigte Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung 206 erhalten, die im Wesentlichen der in Fig. 1 gezeigten Kohlenstoffnanoröhren- Anordnung 100 entspricht.
In diesem Dokument sind folgende Veröffentlichungen zitiert:
[1] Harris, PJF (1999) "Carbon Nanotubes and Related
Structures - New Materials for the Twenty-first Century."., Cambridge University Press, Cambridge, pp.
1 to 15, 111 to 155
[2] Dekker, C et al . (1999) "Carbon Nanotubes as Molecular Quantum Wires", Physics Today 5/99:22-28
[3] Xu, X et al . (1999) "A method for fabricating large-area, patterned, carbon nanotube field emitters" Applied Physics Letters 74 (17) :2549-2551
[4] Ren, ZF et al . (1999) "Growth of a Single freestanding multiwall carbon nanotube on each nanonickel dot" Applied Physics Letters 75 (8) : 1086-1088
[ 5 ] DE 690 14 628 T2
[ 6 ] DE 1959 283 A
[ 7 ] US 5 653 951
[ 8 ] JP 2000321292 A
[ 9 ] JP 10273308
Bezugszeichenliste
100 Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung
101 Substrat
102 Zwischenschicht
103 Katalysatormaterial-Schicht
104 Kohlenstoffnanoröhren
200 Schicht-Anordnung
201 Substrat
202 Zwischenschicht
203 Katalysatormaterial-Schicht
204 Schicht-Anordnung
205 Kohlenstoffnanoröhren
206 Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung

Claims

Patentansprüche
1. Kohlenstoffnanoröhren-Katalysatormaterial zum Katalysieren des Aufwachsens von Kohlenstoffnanoröhren auf dem Kohlenstoffnanoröhren-Katalysatormaterial
• mit Eisen;
• mit mindestens einem weiteren Material, welches das Aufwachsen von Kohlenstoffnanoröhren katalytisch unterstützt; und • mit Kohlenstoff.
2. Kohlenstoffnanoröhren-Katalysatormaterial nach Anspruch 1, bei dem das weitere Material eines der folgenden Materialien st :
Chrom
Nickel
Cobalt
Platin oder
Palladium.
3. Kohlenstoffnanoröhren-Katalysatormaterial nach Anspruch 1 oder 2 mit der Zusammensetzung FexCryCzNiι-χ-y-z, wobei
• x > 0,335; • 0,09 < y < 0,27;
• 0,04 < z < 0,12;
• 0,035 < 1-x-y-z < 0,105.
4 . Kohlenstof fnanoröhren-Katalysatormaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit der Zusammensetzung Fe0, 67C 0, i8Co, θ8Nio, o7 •
5 . Kohlenstof fnanoröhren-Anordnung mit
• einem Substrat ; • einer auf mindestens einem Teil des Substrats aufgebrachten Zwischenschicht;
• einer Kohlenstoffnanoröhren-Katalysatormaterial-Schicht zum Katalysieren des Aufwachsens von Kohlenstoffnanoröhren auf der Kohlenstoffnanoröhren- Katalysatormaterial-Schicht, wobei die Kohlenstoffnanoröhren-Katalysatormaterial-Schicht o Eisen; o mindestens ein weiteres Material, welches das Aufwachsen von Kohlenstoffnanoröhren katalytisch unterstützt; und o Kohlenstoff aufweist; o und wobei die Kohlenstoffnanoröhren-
Katalysatormaterial-Schicht auf mindestens einem Teil der Zwischenschicht angeordnet ist.
6. Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung nach Anspruch 5, bei der die Zwischenschicht aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt ist.
7. Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, bei der die Zwischenschicht aus einem oder einer Kombination der Materialien
Silizium
Siliziumdioxid
Aluminiumoxid
Tantal • Tantalnitrid
Titan und
Titannitrid hergestellt ist.
8. Verfahren zum Herstellen einer Kohlenstoffnanoröhren- Anordnung, bei dem
• auf mindestens einem Teil eines Substrats eine Zwischenschicht aufgebracht wird;
• eine Kohlenstoffnanoröhren-Katalysatormaterial-Schicht zum Katalysieren des AufWachsens von
Kohlenstoffnanoröhren auf der Kohlenstoffnanoröhren- Katalysatormaterial-Schicht auf mindestens einen Teil der Zwischenschicht aufgebracht wird, wobei die Kohlenstof nanoröhren-Katalysatormaterial-Schicht o Eisen; o mindestens ein weiteres Material, welches das Aufwachsen von Kohlenstoffnanoröhren katalytisch unterstützt; und o Kohlenstoff aufweist.
9. Verfahren nach Anspruch 8 , bei dem Kohlenstoffnanoröhren auf der Kohlenstoffnanoröhren- Katalysatormaterial-Schicht aufgewachsen werden.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem die Zwischenschicht aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem die Zwischenschicht aus einem oder einer Kombination der Materialien • Silizium
Siliziumdioxid
Aluminiumoxid
Tantal
Tantalnitrid • Titan und/oder
Titannitrid hergestellt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei dem die Kohlenstoffnanoröhren-Katalysatormaterial-Schicht auf die Zwischenschicht mittels Molekularstrahlepitaxie oder mittels Kathodenzerstäubung aufgebracht wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, bei dem die Kohlenstoffnanoröhren durch Einleiten eines oder einer Kombination der Materialien • Azetylen, • Methan,
• Ethen, und/oder
• Aceton auf der Kohlenstoffnanoröhren-Katalysatormaterial-Schicht aufgewachsen werden, nachdem die Zwischenschicht unter Wasserstoffatmosphäre ungefähr 5 Minuten lang auf ungefähr 600°C erhitzt worden ist.
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